6 augustus 2020

Terugblik; lancering eerste nucleaire ruimteschip SNAP-10A

Vandaag, 3 april 2020, is het precies 55 jaar geleden dat in de Verenigde Staten een experimentele satelliet gelanceerd werd met aan boord een nucleaire reactor. Dit was de eerste keer in de geschiedenis. De ‘Systems for Nuclear Auxilary Power’ afgekort SNAP-10A werd gelanceerd op een Atlas/Agena D raket vanaf de luchtmachtbasis Vandenberg in Californië. De nucleaire reactor werd, toen het in de goede aardebaan terecht kwam, tien uur na lancering, opgestart. Het systeem bestond uit een compacte kernsplijtingsreactor* met als brandstof 4,5 kg uranium-235. Het ruimteschip zou 43 dagen vlekkeloos honderden banen om de aarde draaien. Een elektrische storing in de Agena raket zou een voortijdig eind maken aan de vlucht. De reactor werd gedeactiveerd en de SNAP-10A cirkelt nu voor vier millennia in een aardebaan op een hoogte van 1300 km. Na die periode zal het in de aardse atmosfeer opbranden.

Snapshot satelliet mete SNAP-10A reactor creatieve impressie credits; wikimedia commons

SNAP-10A vlucht demonstratie
Sinds de VS in 1957 programma’s voor nucleaire ruimtevaart ging ontwikkelen zijn er 27 Amerikaanse ruimtemissies uitgevoerd waarbij de energie voorziening geheel of deels afkomstig was uit nucleaire systemen. Het betrof zowel NASA als militaire systemen voor ruimtevaart, 26 maal was er sprake van een RTG (Radio Isotoop Generator) aan boord en ging het om stroomvoorziening voor zowel aandrijving als experimenten, Slechts eenmaal was er sprake van lancering van een nucleair reactorsysteem, de SNAP-10A. De missie werd uitgevoerd in het kader van het SNAPSHOT programma, dit was een samenwerkingsverband van NASA, DARPA, defensie en het ministerie van energie, het DOE. SNAP-10A toonde dat een nucleaire reactor succesvol gelanceerd kon worden en veilig kon opereren in de ruimte.

Lanceer voorbereiding
Ter voorbereiding op de lancering werd het volledige thermisch systeem gecontroleerd in een simulator-ruimteomgeving en de reactor werd gecontroleerd in een reeks kriticiteitsstesten**
waarbij een geringe hoeveelheid nucleaire splijtingsproducten werd gemaakt. Dit ter voorkoming dat activiteiten rondom het lanceerplatform zouden worden belemmerd. Als gevolg hiervan waren de activiteiten op het lanceerplatform op de luchtmachtbasis vrijwel hetzelfde als voor andere ‘normale’ lanceringen. De SNAP-10A werd gekoppeld aan de Atlas/Agena D raket op het lanceercomplex. De reactor zelf werd niet kritisch gemaakt op het pad. Het bleek dat de tijd die nodig was voor de koppeling van componenten, controles, en de voorbereiding van de draagraket alles bij elkaar niet meer was dan bij een lancering zonder nucleaire lading. Verder waren er geen extra uitgebreide grondprocedures voor de lanceervoorbereiding nodig, de koude, schone reactor vormde geen stralingsgevaar op het lanceerpad.

Lancering en vlucht
De Atlas/Agena/SNAP-10A combinatie werd gelanceerd op 3 april 1965 om 1:24 PM (lokale tijd, Pacific Standard Time), 22:24 NLse tijd. Het vaartuig bereikte een baan om de aarde, met een apogeum van 1328 km en een perigeum van 1295 km. Het doel was een enigszins retrograde polaire baan – dit zorgde ervoor dat de gebruikte rakettrappen in de oceaan belandden. Qua vermogen was het doel om uit deze nucleair-elektrische bron gedurende een jaar meer dan 500 watt elektrisch vermogen te produceren. Om 17:05 LT, werd het commando gegeven aan de SNAP-10A om op te starten. De reactor bereikte kriticiteit om 23:15 LT, en het volledige vermogen werd twee uur later bereikt.  Na 43 dagen, op 16 mei, zorgde een storing in een ingebouwde spanningsregelaar in de Agena module – niet gerelateerd aan de SNAP-reactor – voor een shutdown, de reactor werd, na het bereiken van een maximumvermogen van 590 watt, uitgeschakeld.  Opnieuw opstarten behoorde niet tot de opties en de SNAP-10A zal nog zo een 4 millennia zijn banen blijven draaien om de aarde. 

SNAP-10A credits: DOE / NASA

radioactiviteit
Het reactorprogramma vereiste een veiligheidsprogramma i.c. het Aerospace Nuclear Safety Program. Dit werd opgezet om de nucleaire gevaren die samenhangen met de constructie, lancering, werking en verwijdering van SNAP-systemen te evalueren en om ontwerpen te ontwikkelen om hun radiologische veiligheid te garanderen. Voordat de lancering werd toegestaan, moest er bewijs worden verkregen dat onder alle omstandigheden de lancering van de reactor geen ernstige bedreiging voor de bevolking c.q. aarde zou vormen.Het Atomics International Santa Susana Field Laboratory (SSFL) in Californië was verantwoordelijk voor het testprogramma, het DOE is verantwoordelijk voor berging van radioactief afval. Het Idaho National Laboratory voerde drie ‘destructie’ testen uit van de SNAP reactoren in het testgebied van het lab, het Test Area North.

Vijftien jaar na shutdown zal de radioactiviteit van de splijtingsproducten minder dan 100 curies bedragen (Eén curie komt ongeveer overeen met de activiteit van 1 gram 226Ra, radium met 138 neutronen en 8 protonen). Na 100 jaar zal het radioactiviteitsniveau minder dan 0,1 curie zijn. Zodra het moment gekomen is dat de module de aardse atmosfeer binnendringt, zal het radioactiviteitsniveau van zijn kern te verwaarlozen zijn.*** Na de missie werd een duplicaat van het vluchtsysteem, de FS-3, gebouwd. Het systeem onderging een succesvolle grondtest van 10.000 uur in een vacuum kamer. 

Nucleaire programma’s
In de VS zijn er de afgelopen decennia meer programma’s ontwikkeld voor nucleair aangedreven ruimteschepen, zowel nucleairelektrisch als nucleairthermisch. Zo was er NERVA, (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application, 1960-1973). Dit was een nucleairthermische raketaandrijving. Door zijn kernreactor werd vloeibaar waterstof geleid, dat tot 3000°C werd verhit. Het uitzettende en met kracht uitstromende waterstofgas stuwde de raket voort. De vluchttest gepland voor 1973 ging niet door. Het Space Nuclear Thermal Propulsion (SNTP), de opvolger van NERVA startte in 1982 op. Genaamd Timberwind, moest het het SDI, Space Defence Initiative, tot dienst zijn, maar ook dit project werd gecanceld.

Nucleairelektrische aandrijving werd vervolgd met SP-100, opgestart in 1983, maar in 1993 werd het opgeheven, doelstelling was een reactor output in het bereik van 10 kWe tot 1 MW. Verder dan het testen van componenten is men niet gekomen. De opvolger werd het Multimegawatt-programma maar dit bleef steken in de ontwerpfase. Project Prometheus in 2003 beoogde een nucleairelektrisch voorstuwingssysteem te ontwerpen, dit werd in 2006, afgebroken. NASA ging verder aan de slag met het Kilopower project in 2007****. Ook de voormalig USSR had een actief nucleair ruimtevaartprogramma. Reeds in 1965 waren er twee vluchten met aan boord een RTG en in de periode 1971 – 1985 vlogen er 35 RORSAT (Radar Ocean Reconnaissance Satellite) satellieten voorzien van een thermoelektrisch reactor systeem voor aandrijving. Vijf maal ging het mis, hiervan leidde 3 storingen tot ongeplande reentries op aarde van (delen) van de satellieten. Met name in in 1978 kwam er veel radioactief afval terecht in een groot gebied in het noorden van Canada. Video credits: Department of Energie. Bronnen: David Buden, ‘Nuclear Electric Propulsion Systems, Polaris Books, 2011 / NASA JSC history archives / Wikipedia

*Een nucleair-elektrisch voortstuwingssysteem voor ruimtevaartuigen is een systeem waarbij thermische energie van een kernreactor wordt omgezet in elektrische energie die wordt gebruikt om een ionenmotor of andere voortstuwingstechnologie voor elektrische ruimtevaartuigen aan te drijven. De SNAPSHOT-test omvatte een cesium-ionenmotor, de eerste test van een elektrisch aangedreven voortstuwingssysteem dat in een baan om de aarde draaide. De ionenmotor genereerde een stuwkracht van ongeveer 8,5 mN.

**Een reactor bereikt kriticiteit (en wordt kritisch genoemd) wanneer bij elke splijtingsgebeurtenis een voldoende aantal neutronen vrijkomt om een voortdurende reeks reacties te ondersteunen.

***In november 1979 verloor SNAP 50 stuks traceerbaar puin. De redenen waren onbekend en mogelijk is er radioactief materiaal vrijgekomen. Later onderzoek, suggereert dat er nog eens 60 of meer stukken puin van <10 cm zijn vrijgekomen. Bron: JSC NASA techrapp. 2000

****https://www.astroblogs.nl/2019/08/04/nasa-creeert-momentum-voor-geavanceerde-nucleaire-en-elektrische-voortstuwing/

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.